Pendahuluan: Apakah Fisika itu? Perkembangan Ilmu Pengetahuan Alam Peran Ilmu Fisika pada Kehidupan.

Presentasi berjudul: "Pendahuluan: Apakah Fisika itu? Perkembangan Ilmu Pengetahuan Alam Peran Ilmu Fisika pada Kehidupan."— Transcript presentasi:

1 Introduction to Physics (Pengantar Ilmu Fisika) Semester 1 Sep – Okt Mohammad Nasucha ST, MSc

2 Pendahuluan: Apakah Fisika itu? Perkembangan Ilmu Pengetahuan Alam Peran Ilmu Fisika pada Kehidupan

3 Pendahuluan: Apakah Fisika itu? Perkembangan Ilmu Pengetahuan Alam Peran Ilmu Fisika pada Kehidupan

4 What is “Physics”? (1) Ilmu Fisika ada sejak manusia tertarik mempelajari sifat-sifat benda yang ada di sekitarnya. Karena itu ilmu Fisika sering disebut sebagai ilmu yang mempelajari sifat-sifat benda. Penemuan-penemuan penting terdahulu antara lain adalah penemuan oleh Phytagoras (c B.C.) dan penemuan oleh Archimedes (c B.C.).

5 What is “Physics”? (2) Penemuan Phytagoras Penemuan Archimedes

6 What is “Physics”? (3) i. Tentang gaya ke atas oleh air
ii. Tentang Volume Bola Mula-mula tabung diisi penuh dengan air. Persiapkan sebuah bola yang ukuran tingginya = tinggi tabung Masukkan bola ke dalam tabung hingga air tumpah Ditemukan bahwa banyaknya air yang tumpah adalah 2/3 Dapat disimpulkan bahwa Vol bola = 2/3 Vol Tabung Karena Vol Tabung Maka Vol Bola

7 Pendahuluan: Apakah Fisika itu? Perkembangan Ilmu Pengetahuan Alam Peran Ilmu Fisika pada Kehidupan

8 Perkembangan Natural Science (1)
Ilmu Pengetahuan Alam berkembang mulai dari pengetahuan alam primitive hingga pengetahuan alam modern. Tidak jarang penemu terdahulu kurang tepat atau salah dalam membuat kesimpulan, kemudian dikoreksi oleh penemu sesudahnya. SCIENTIST EXISTENCE Pythagoras c B.C. Hippocates c B.C. Aristotle c B.C. Euclid c B.C. Archimedes c B.C. Eratosthenes c B.C. Galen c. A.D Hakim Ibn-e-Sina A.D Nicolaus Copernicus Andreas Vesalius Gallileo Galilei Johannes Kepler William Harvey Blaise Pascal Robert Boyle Christian Huygens Anton van Leeuwenhoek Isaac Newton Edmund Halley Daniel Bernoulli SCIENTIST EXISTENCE Benjamin Franklin Alessandro Volta John Dalton Karl Friedrich Gauss Michael Faraday Joseph Henry Charles Darwin Louis Pasteur James Clerk Maxwell Wilhelm Konrad Roentgen Thomas Alva Edison Ernst Rutherford Albert Einstein Niels Bohr Edwin Powell Hubble John Bardeen William Bradford Shockley Stephen William Hawking 1942- Peter Higgs 1929-

9 Perkembangan Natural Science (1)
Ilmu Pengetahuan Alam berkembang mulai dari pengetahuan alam primitive hingga pengetahuan alam modern. Tidak jarang penemu terdahulu kurang tepat atau salah dalam membuat kesimpulan, kemudian dikoreksi oleh penemu sesudahnya. SCIENTIST EXISTENCE Pythagoras c B.C. Hippocates c B.C. Aristotle c B.C. Euclid c B.C. Archimedes c B.C. Eratosthenes c B.C. Galen c. A.D Hakim Ibn-e-Sina A.D Nicolaus Copernicus Andreas Vesalius Gallileo Galilei Johannes Kepler William Harvey Blaise Pascal Robert Boyle Christian Huygens Anton van Leeuwenhoek Isaac Newton Edmund Halley Daniel Bernoulli SCIENTIST EXISTENCE Benjamin Franklin Alessandro Volta John Dalton Karl Friedrich Gauss Michael Faraday Joseph Henry Charles Darwin Louis Pasteur James Clerk Maxwell Wilhelm Konrad Roentgen Thomas Alva Edison Ernst Rutherford Albert Einstein Niels Bohr Edwin Powell Hubble John Bardeen William Bradford Shockley Stephen William Hawking 1942- Peter Higgs 1929-

10 Perkembangan Natural Science (2)
Sebagian dari banyak scientist yang memberikan kontribusi signifikan kepada science. Pythagoras c B.C. Aristotle c B.C. Archimedes c. 287 – 212 B.C. Hakim Ibn-e-Sina Nicolaus Copernicus Gallileo Galilei Johannes Kepler

11 Perkembangan Natural Science (3)
Sebagian dari banyak scientist yang memberikan kontribusi signifikan kepada science. Alessandro Volta Daniel Bernoulli Blaise Pascal Isaac Newton Michael Faraday James Clerk Maxwell Thomas A. Edison Albert Einstein

12 Perkembangan Natural Science (3)
Sebagian dari banyak scientist yang memberikan kontribusi signifikan kepada science. John Bardeen, William Shockley and Walter Brattain at Bell Labs, 1948. Peter Higgs now Stephen W. Hawking now

13 Perkembangan Natural Science – The Divergence (1)
Biology Classical Biology Modern Biology Chemistry Classical Chemistry Modern Chemistry Physics Classical Physics Modern Physics

14 Perkembangan Natural Science – The Divergence (2)
Biology Classical Biology Ecology Evolution Medical Zoology Virology Dentistry Botany Agriculture Veterinary Modern Biology Marine Biology Forestry etc Chemistry Organic Chemistry Chemical Engineering etc Classical Chemistry Inorganic Chemistry etc etc Analytical Chemistry etc etc Modern Chemistry Biochemistry etc etc Physics Civil Eng Mechanical Eng Telecom. Eng Classical Physics Geology Automotive IT Mining Eng Energy Eng etc Modern Physics Petroleum Eng Electrical Eng etc

15 Perkembangan Natural Science – The Covergence
etc etc Bio Engineering Petroleum Eng Biochemistry Biology Mining Eng Nuclear Eng Semiconductors Eng Chemistry Physics Mathematics

16 Pendahuluan: Apakah Fisika itu? Perkembangan Ilmu Pengetahuan Alam Peran Ilmu Fisika pada Kehidupan

17 Peran Ilmu Fisika pada Kehidupan
Physics for Science and Engineering Physics for Day-to-Day Living Physics for Fun 

18 Peran Ilmu Fisika pada Kehidupan
Physics Products for Science and Engineering

19 Peran Ilmu Fisika pada Kehidupan
Physics products for Day-to-Day Living

20 Peran Ilmu Fisika pada Kehidupan
Physics products for fun

21 Kuis Carilah ide, bagaimana cara untuk menentukan bahwa sebuah sudut itu siku (90’) dengan bantuan benang dan meteran. Ceritakan keingintahuan kamu tentang cara kerja sebuah benda atau alat.

22 Motion: What is Motion? What is Force, Speed (Velocity), Acceleration? Newton’s Laws of Motion Newton’s Law of Gravitation Momentum, Torque, Weight

23 What is Motion? (1)

24 What is Motion? (2)

25 What is Motion? (3) Motion is a change of position with respect to time. Motion is relative => it needs a frame of reference

26 What is Motion? (4) Motion is relative A train is moving.
Ask: With respect to what? Answer: With respect to the ground (earth)

27 We need frame(s) of reference
What is Motion? (5) We need frame(s) of reference The Earth rotates (moves) about the Sun. The sun rotates within the Milky Way galaxy.

28 What is Motion? (6) Understanding of the whole constellation:
- A walking passenger moves relatively to the train. The train moves with respect to the earth. The earth moves with respect to the sun. The sun moves with respect to the Milky Way galaxy. The Milky Way galaxy moves with respect to the origin point of the universe. All of those are moving with respect to the origin point of the universe.

29 What is Motion? (7) Measuring motion Two fundamental components:
Change in position Change in time Three important combinations of length and time: Speed Velocity Acceleration

30 What is Motion? (8) Parabolic Motion

31 What is Motion? (9) Parabolic Motion

32 What is Motion? (10) Parabolic Motion in Everyday Life

33 Motion: What is Motion? What is Force, Speed (Velocity), Acceleration? Newton’s Laws of Motion Newton’s Law of Gravitation Momentum, Torque, Weight

34 Historical story of forces
Aristotle Heavier objects fall faster Objects moving horizontally require continuously applied force Relied on thinking alone Galileo and Newton All objects fall at the same rate No force required for uniform horizontal motion Reasoning based upon measurements

35 Forces (2) Fundamental Forces Gravitational Force
Electromagnetic Force Weak Nuclear Force Force Strong Nuclear Force Force

36 Forces (3) Other Forces Mechanical Force Kinetic Force Elastic Force
Tension Force Normal Force Friction Force

37 Horizontal motion on land
Forces (4) Horizontal motion on land “Natural motion” question: Is a continuous force needed to keep an object moving? No, in the absence of unbalanced retarding forces

38 Forces (5) Falling objects
Free fall - falling under influence of gravity w/o air resistance Distance proportional to time squared Acceleration due to gravity (g) is constant for all objects, that is, 9.8 m/s2 (32 ft/s2)

39 Speed (1)

40 Acceleration is an expression used to quote speed change.

41 Motion: What is Motion? What is Force, Speed (Velocity), Acceleration? Newton’s Laws of Motion Newton’s Law of Gravitation Momentum, Torque, Weight

42 Three laws of motion First detailed by Newton (1564-1642 AD)
Concurrently developed calculus and a law of gravitation Essential idea - forces

43 Newton’s 1st law of motion
“The law of inertia” Every object retains its state of rest or its state of uniform straight-line motion unless acted upon by an unbalanced force

44 Inertia

45 Newton’s 2nd law of motion
Force applied to a mass causes acceleration More force, more acceleration More mass, less acceleration Unit for Force is “Newton”

46 Examples - Newton’s 2nd

47 Newton’s 3rd law of motion
“Whenever two objects interact, the force exerted on one object is equal in size and opposite in direction to the force exerted on the other object.”

48 Motion: What is Motion? What is Force, Speed (Velocity), Acceleration? Newton’s Laws of Motion Newton’s Law of Gravitation Momentum, Torque, Weight

49 Newton’s law of gravitation
Attractive force between all masses Proportional to product of the masses Inversely proportional to separation distance squared Explains why g=9.8m/s2 at earth’s surface Provides centripetal force for orbital motion

50 Newton’s law of gravitation
Gravity provides the condition to allow the moon to orbit around the earth.

51 Newton’s law of gravitation
Gravity provides the condition to allow human-made satellites orbit around the earth too. A geostationary orbit (GEO): 42,164 km (measured from the center of the Earth) or 35,786 km above mean sea level. At this orbit an object rotates and maintains its position with respect to the ground. Such orbits are useful for telecommunications satellites. In practice the satellite drifts out of this orbit because of perturbations such as the solar wind, radiation pressure, variations in the Earth's gravitational field, and the gravitational effect of the Moon and Sun, and thrusters are used to maintain the orbit in a process known as station-keeping.

52 Motion: What is Motion? What is Force, Speed (Velocity), Acceleration? Newton’s Laws of Motion Newton’s Law of Gravitation Momentum, Torque, Weight

53 Momentum Important property besides the Newton’s 2nd law
Quantity that measures how to stop a moving object.

54 Conservation of momentum
The total momentum of a group of interacting objects remains the same in the absence of external forces Applications: Collisions, analyzing action/reaction interactions

55 Torque = Moment = Moment of Force
Targeted Point of Torque T = F.l Torque = Force x Length of Lever Arm

56 Torque = Moment = Moment of Force (2)
Sebuah benda yang memiliki penyangga hanya di satu sisi akan mengalami efek torsi pada titik penyangga. Sebuah benda yang memiliki penyangga di sua sisi atau lebih tidak mengalami efek torsi. Dalam kehidupan sehari-hari obyek torsi sangat penting untuk diperhatikan, yaitu sbb.: Dalam hal kita memperlakukan obyek torsi sebagai benda yang akan kita lepas / bongkar maka kita menggunakan alat dengan lever arm sepanjang mungkin yang kita miliki. Contoh: Melepas mur menggunakan kunci pas atau kunci inggris yang panjang. Membongkar bermacam-mavam benda menggunakan linggis yang panjang Dan masih banyak lagi

57 Torque = Moment = Moment of Force (3)
Dalam hal kita membuat suatu konstruksi di mana terdapat bagian- bagian tertentu pada konstruksi tersebut yang menahan torsi maka kita usahakan: Usahakan lever arm tidak terlalu panjang Apabila lever arm nya panjang maka kita harus memperkokoh titik obyek torsi. Memperkokoh obyek torsi bia dilakukan dengan teknik penyambungan yang sempurna dan dengan menambahkan penyangga. Contoh: Balkoni gantung diusahakan tidak terlalu panjang Rak buku yang menempel di dinding diusahakan tidak terlalu panjang dan diperkuat menggunakan siku penyangga. Karena sayap pesawat panjang maka bagian persambungan antara sayap dengan badan pesawat haruslah sangat kokoh.

58 Weight Mass = The amount of matter
Weight = force of gravity acting on the mass Kilogram = measure of mass Pounds and Newtons = measure of force

59 Stability and Comfort Track In example: Track = 1,5m Wheelbase = 3,2m
HH = 1m Headhight

60 Stability and Comfort a = ? a = ? 150 10 Sin a =
Bagaimana jika roda kiri mobil terperosok ke bahu jalan sedalam 10 cm? Seberapa miring kah mobil ini? a = ? a = ? 10 150 Sin a =

61 The Role of Track (1) a = ? Track = 150 10 Problem Track = 150 cm
Kedalaman lubang jalan = 10 cm Berapa derajat penumpang terguncang ke kiri? Solution Sin a = 10 / 150 a = ArcSin 0,066 a = 3,82’

62 The Role of Track (2) a = ? Track = 180 10
Produsen mobil tersebut membuat generasi baru dengan track 1,8m. Apa pengaruhnya? Problem Track = 180 cm Kedalaman lubang jalan = 10 cm Berapa derajat penumpang terguncang ke kiri? Solution Sin a = 10 / 180 = ArcSin 0,0555 = 3,18’ Pengaruhnya adalah bahwa mobil tsb menjadi lebih tahan goncangan (lebih nyaman dikendarai).

63 The Role of Height (1) Headhight = 140cm Headhight =100 cm
Baik SUV maupun Sedan memiliki track 180cm. Ketinggian kepala pengendara SUV kurang lebih 140cm. Ketinggian kepala pengendara SUV kurang lebih 100cm. Mana yang lebih stabil terhadap goncangan? Headhight = 140cm Headhight =100 cm

64 The Role of Height (2) r r Formulation Sin(0,5a) = 0,5 l / r
0,5 l ,5 l l = ? 0,5a 0,5a r r Formulation Sin(0,5a) = 0,5 l / r 0,5 l = r. Sin (0,5a) l = 2.r. Sin (0,5a)

65 The Role of Height (3) Utk SUV l = 2.r. Sin (0,5a)
l = Sin (1,59’) l = ,0278 l = 7,77 cm Headhight = 140cm Utk Sedan l = 2.r. Sin (0,5a) l = Sin (1,59’) l = ,0278 l = 5,55 cm Headhight =100 cm

66 Stability and Comfort - Conclusion
Untuk sebuah mobil kestabilan terhadap goncangan antara lain bisa diperoleh dengan: Memperjauh jarak antar roda Menjaga rendahnya bodi mobil

67 Rumus-rumus Gerak Lanjutan
Gerak Lurus dengan Kecepatan Tetap Contoh: Mobil yang melaju konstan (gigi netral dan tanpa digas) Rumus Arti V = konstan Kecepatan mobil ybs tetap. V = s / t Kecepatan mobil = jarak yang ditempuh dibagi dengan waktu tempuh t = s / v Waktu tempuh = jarak yang ditempuh dibagi dengan kecepatan s = V.t Jarak tempuh = kecepatan dikalikan waktu tempuh.

68 Rumus-rumus Gerak Lanjutan
B. Gerak Lurus dengan Akselerasi (Percepatan) Contoh: Mobil yang melaju dengan akselerasi yang beraturan (digas secara konstan). Rumus Arti a = F / m Akselerasi bisa diperoleh dengan pemberian gaya kpd mobil tsb (dengan digas). Akselerasi = Gaya dibagi dengan massa. a = (Vt-V0) / t Cara mengukur akselerasi: Akselerasi mobil = perubahan kecepatan dibagi dengan waktu. Vt = V0 + a.t Kecepatan mobil setelah mencapai waktu tertentu = Kecepatan awal + (akselerasi dikalikan dengan waktu). Rumus lain untuk Vt Rumus untuk menghitung jarak tempuh

69 Kuis Mana yang lebih hemat bahan bakar, mengendarai mobil dengan kencang (dengan akselerasi) sehingga cepat sampai tujuan, atau kah mengendarai mobil dengan kecepatan yang stabil? Mana yang memiliki momentum lebih besar, sebuah sepeda motor bermassa 100kg yang melaju dg kecepatan 50 km/h ataukah sebuah sepeda motor bermassa 80 kg melaju dengan kecepatan 100 km/h?

70 Kuis Sebuah kerikil dan sebuah batu dijatuhkan dari puncak monas secara bersamaan. Manakah yang akan mencapai tanah lebih dahulu? Seorang polisi menembakkan pistol mengarah ke udara. Apakah yang akan terjadi dengan peluru tersebut seandainya tidak ada gesekan udara? Carilah ide, bagaimana cara membuat sendiri rak buku di kamar kamu dengan kokoh.

71 Kuis Coba sebutkan alat-alat bantu dasar apa saja yang sering digunakan untuk memudahkan pekerjaan manusia sehari-hari? Seandainya tidak ada gaya gesekan, apa yang terjadi pada sebuah sepeda motor atau mobil yang melaju dengan kecepatan 60 km/h pada jalan yang datar?

72 Selamat hari ini kalian telah belajar banyak  .
Mulai sekarang biasakan lebih sering mengamati benda dan alat yang kalian jumpai sehari-hari, di mana saja. Carilah jawaban atas curiosity kalian. Setiap curiosity yang terjawab akan memberi tambahan life skill kalian yang pasti akan berguna suatu waktu.

73 References Robert Resnick, David Halliday ,Kenneth S. Krane, “Physics (Volume 1)”, Fifth Edition, John Wiley & Sons, New York, 2002. Douglas G. Giancoli, “Physics for Scientists & Engineers with Modern Physics”, Fourth Edition, Pearson Education , New Jersey, 2009 Tjuk Imawan, Materi Kuliah Pengantar Ilmu Fisika, Universitas Pembangunan Jaya, Tangerang Selatan, 2011

74 Exercise (1) Hukum Archimedes
Sebuah pabrik manufaktur kapal sedang merancang kapal baru. Dikehendaki sedemikian rupa sehingga pada saat kapal diberi beban normal, volume seluruh ruangan kapal yang berada di bawah permuakaan air laut adalah sebesar 8000m3. Apabila berat mati kapal itu sendiri diperkirakan ton, berapakah daya muat kapal tersebut? (Dengan kata lain berapakah beban normal yang mampu diangkut oleh kapal tersebut?). Gunakan asumsi bahwa 1 liter air laut memiliki berat 1 kg.. Berapa daya muat kapal yang sedang dirancang ini?

75 Exercise (2) Pengertian Kecepatan dan Percepatan (Akselerasi)
Syellia melakukan perjalanan mudik dari Jakarta ke Jogja sejauh 600 km menggunakan sebuah mobil sedan, berangkat dari Jakarta hari Jumat pukul dan tiba di Jogja hari Sabtu keesokan harinya pada pukul 18:00. Selama dalam perjalanan Syellia berhenti dua kali masing-masing selama satu jam. Berapakah kecepatan rata-rata Syellia berkendara? Sebuah mobil yang semula berhenti, dipacu dengan ‘ngebut’ sehingga mencapai kecepatan 108 kph hanya dalam waktu 10 detik. Berapakah akselerasi yang telah dialami oleh mobil tersebut? (dalam m/s2).

76 Exercise (3) Hukum Newton 2 dan Momentum
Sebuah mobil sedan berbobot 1 ton dirancang untuk mampu berakselerasi 7,2 kph per detik. Berapa besarkah gaya yang harus diberikan oleh mesin mobil tersebut agar akselerasi tersebut tercapai? Manakah yang mengakibatkan benturan lebih keras : (a) sebuah sepeda motor berkecepatan 50 kph menabrak sebuah truk yang berhenti atau (b) sepeda motor yang sama berkecepatan 80 kph menabrak truk yang sama ? 3. Manakah yang mengakibatkan benturan lebih keras: (a) sebuah mobil sedan bermassa 1 ton berkecepatan 100 kph menabrak sebuah truk yang berhenti atau (b) sebuah bus bermassa 6 ton berkecepatan 50 kph menabrak truk yang sama?